CN105305223A - 一种布里渊动态光栅产生装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于非线性光纤光学技术领域，公开了一种布里渊动态光栅产生装置及方法，用于解决采用双光源法存在的结构复杂不易调谐、采用电光调制法存在的需要复杂的反馈稳定技术来保证***长期稳定工作的问题。本发明包括激光源、微波源、偏振调制器、第一偏振控制器、检偏器、第二偏振控制器、可调差分群延迟器、第三偏振控制器和第一偏振分束器，第一光纤放大器、第一光隔离器、第四偏振控制器和光纤、第二光纤放大器、第二光隔离器、第五偏振控制器、第二偏振分束器、光环形器和第六偏振控制器，第六偏振控制器输入有待测信号。

Description

一种布里渊动态光栅产生装置及方法

技术领域

本发明属于非线性光纤光学技术领域，公开了一种布里渊动态光栅产生装置及方法。

背景技术

基于受激布里渊散射的布里渊动态光纤光栅（BrillouinDynamicGrating，BDG）技术是光纤通信及传感领域新兴的研究热点之一，相比于传统的光纤光栅，具有位置可调、光谱可调、快速重构等优势，在光纤分布式传感、可调谐光滤波器、光开关、光纤延迟线、光存储介质等方面有重要的应用价值。

为了产生稳定的BDG，光纤中相向传输的两束泵浦光要求偏振态一致，且频率间隔为所用光纤的布里渊偏移量。当前，构造两束泵浦光的方法有两种：双光源法和电光调制法。采用双光源法时，不但要求两个光源均具有超窄线宽，而且需要额外的频率计来锁定两光源的频率差，使其长时间内稳定在布里渊频移量；因此，该方案存在***结构复杂且不易调谐的缺点。采用电光调制法时，两束泵浦光均来自于同一光源，一路泵浦光直接由光源输出，另一路泵浦光由单边带载波抑制调制产生。例如申请号为201510420967.X的发明专利公开了一种基于毛细管的布里渊散射动态光栅产生装置及方法，包括两条光路，一条光路为依次连接的激光器、耦合器、放大器、第一偏振控制器和非线性光纤，另一条从耦合器出发依次连接第二偏振控制器、调制器、偏振合束器最后回到非线性光纤，还包括同步控制器，同步控制器与激光器相连的同时通过微波信号源连接调制器；非线性光纤是以毛细管为载体的光纤，毛细管内部填充有折射内芯。这种方案由于只使用单个光源，简化了***结构，且不受光源波长漂移的影响。但实现单边带载波抑制调制的电光调制器为光正交调制器（I/QModulator），它包含两个射频输入端口和三个直流偏置控制端口。为产生高质量的单边带载波抑制调制信号，两个射频输入端口注入的微波信号需保证等幅且相移量差为精确的π/2，此外三个直流偏置点需要精确设定，因此通常需要复杂的反馈稳定技术来保证***的长期稳定工作。

发明内容

本发明为了解决现有技术采用双光源法存在的结构复杂不易调谐的问题以及采用电光调制法存在的需要复杂的反馈稳定技术来保证***长期稳定工作的问题，而提供一种布里渊动态光栅产生装置及方法，具有结构简单、便于调谐，并且能够长期稳定工作的特点。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种布里渊动态光栅产生装置，其特征在于，包括依次连接的激光源、偏振调制器、第一偏振控制器、检偏器、第二偏振控制器、可调差分群延迟器、第三偏振控制器和第一偏振分束器，所述偏振调制器还连接有微波源，所述第一偏振分束器的B端口依次连接有第一光纤放大器、第一光隔离器、第四偏振控制器和光纤，所述第一偏振分束器的C端口依次连接有第二光纤放大器、第二光隔离器、第五偏振控制器，所述第五偏振控制器连接有第二偏振分束器，并且第五偏振控制器与第二偏振分束器的B端口连接，所述光纤与第二偏振分束器的A端口连接，所述第二偏振分束器的C端口依次连接有光环形器和第六偏振控制器，所述第六偏振控制器输入有待测信号。

一种布里渊动态光栅产生方法，其特征在于，激光源输出激光注入偏振调制器，偏振调制器的射频端口连接微波源的输出，经偏振调制器调制后的光信号由第一偏振控制器调节入射到检偏器的偏振态，检偏器的输出经过第二偏振控制器调节偏振态后注入到可调差分群延迟器的输入端，可调差分群延迟器的输出信号经第三偏振控制器调节偏振态后入射到第一偏振分束器的A端口，第一偏振分束器将A端口输入信号分为两路泵浦光，分别由第一偏振分束器的B端口和C端口输出；

第一路泵浦光由第一偏振分束器的B端口输出并注入第一光纤放大器，经第一光纤放大器放大后入射到第一光隔离器，第一光隔离器的出射光被第四偏振控制器调节偏振态后入射到光纤中，在光纤中传输后的第一泵浦光进入第二偏振分束器的A端口；

第二路泵浦光由第一偏振分束器的C端口输出并注入到第二光纤放大器，经第二光纤放大器放大后通过第二光隔离器入射到第五偏振控制器，第五偏振控制器调节第二路泵浦光的偏振状态，并与第二偏振分束器的B端口相连；

待测信号经第六偏振控制器调节偏振态后输入光环形器的a端口，并由光环形器的b端口输出，光环形器的b端口与第二偏振分束器的C端口相连，从第二偏振分束器C端口输入的信号经第二偏振分束器的A端口输出并进入光纤，待测信号在光纤传输时被产生的布里渊动态光栅反射，反射信号从第二偏振分束器的A端口进入，并经第二偏振分束器的C端口出射，第二偏振分束器的C端口出射的反射信号注入光环形器的b端口，最终由光环形器的c端口输出。

所述检偏器的偏振方向与偏正调制器的一个主轴的偏振方向成45°；通过调节第一偏振控制器使检偏器的输出为载波抑制双边带调制信号，载波抑制双边带调制信号的能量集中在正、负一阶边带，载波和其余高阶谐波分量均抑制。

所述第二偏振控制器调节输入的载波抑制双边带调制信号的偏振态，使其以相对于可调差分群延迟器的偏振主轴方向成45°角注入，通过调节可调差分群延迟器的两偏振主轴群延迟差，输出的载波抑制双边带调制信号的正、负一阶边带实现偏振态正交。

调节第三偏振控制器使正交的正、负一阶边带分别从第一偏振分束器的B端口和C端口输出，实现正、负一阶边带的分离。

调节第五偏振控制器使第二路泵浦光完全通过第二偏振分束器的B端口，并由第二偏振分束器的A端口输出，调节第四偏振控制器使第一路泵浦光与第二路泵浦光的偏振态方向一致，确保在光纤中产生最强的布里渊动态光栅。

所述第一光纤放大器和第二光纤放大器分别用于调节第一路泵浦光和第二路泵浦光的功率，控制两路泵浦光在光纤中通过受激布里渊散射效应产生的电子波传播方向，进而决定待测信号被布里渊动态光栅发射后的波长位置。

第六偏振控制器用于调节待测信号的偏振态，使待测信号在光纤中传输时与两路泵浦光的偏振态正交。

光纤为单模光纤或者为保偏光纤。

微波源输出信号频率为所用光纤的布里渊频移量的二分之一。

所述激光源的输出波长能调谐。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明中所使用的偏振调制器仅受单路微波信号调制，且无需控制直流偏置点，因而与单边带载波抑制调制方案中所用的I/Q调制器相比，大大降低了操作难度，且能在无反馈控制下长期稳定工作；具有结构简单、便于调谐，并且能够在无反馈稳定技术的控制下长期稳定工作的特点。

本发明采用双边带载波抑制调制信号的正、负一阶边带作为两路泵浦光，微波源输出信号频率为所用光纤布里渊频移量的二分之一。而在基于单边带载波抑制调制产生泵浦光的方案中，微波源输出信号频率为所用光纤的布里渊频移量，因此本发明降低了对微波源输出频率的要求，降低了***的成本。

附图说明

图1是本发明的布里渊动态光栅产生装置的结构示意图；

图2是发明中基于可调差分群延迟器实现载波抑制双边带调制信号的正、负一阶边带偏振态正交的原理图；

图中标记：1、激光源，2、微波源，3、偏振控制器，4、第一偏振控制器，5、检偏器，6、第二偏振控制器，7、可调差分群延迟器，8、第三偏振控制器，9、第一偏振分束器，10、第一光纤放大器，11、第一光隔离器，12、第四偏振控制器，13、光纤，14、第二光纤放大器，15、第二光隔离器，16、第五偏振控制器，17、第二偏振分束器，18、光环形器，19、第六偏振控制器，20、待测信号。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他所用实施例，都属于本发明的保护范围。

结合附图，本发明的布里渊动态光栅产生装置，包括依次连接的激光源1、偏振调制器3、第一偏振控制器4、检偏器5、第二偏振控制器6、可调差分群延迟器7、第三偏振控制器8和第一偏振分束器9，其中，第三偏振控制器8与第一偏振分束器的A端口连接；所述偏振调制器3还连接有微波源2；所述第一偏振分束器9的B端口依次连接有第一光纤放大器10、第一光隔离器11、第四偏振控制器12和光纤13，所述第一偏振分束器9的C端口依次连接有第二光纤放大器14、第二光隔离器15、第五偏振控制器16，所述第五偏振控制器16连接有第二偏振分束器17，并且第五偏振控制器16与第二偏振分束器17的B端口连接，所述光纤13与第二偏振分束器17的A端口连接，所述第第二偏振分束器17的C端口依次连接有光环形器18和第六偏振控制器19，所述第六偏振控制器19输入有待测信号20。其中，光环形器18的b端口与第二偏振分束器17的C端口连接，光环形器18的a端口与第六偏振控制器19连接。

布里渊动态光栅产生装置的布里渊动态光栅产生方法，激光源1输出激光注入偏振调制器3，偏振调制器3的射频端口连接微波源2的输出，经偏振调制器3调制后的光信号由第一偏振控制器4调节入射到检偏器5的偏振态，检偏器5的输出经过第二偏振控制器6调节偏振态后注入到可调差分群延迟器7的输入端，可调差分群延迟器7的输出信号经第三偏振控制器8调节偏振态后入射到第一偏振分束器9的A端口，第一偏振分束器9将A端口输入信号分为两路泵浦光，分别由第一偏振分束器9的B端口和C端口输出；

第一路泵浦光由第一偏振分束器9的B端口输出并注入第一光纤放大器10，经第一光纤放大器10放大后入射到第一光隔离器11，第一光隔离器11的出射光被第四偏振控制器12调节偏振态后入射到光纤13中，在光纤13中传输后的第一泵浦光进入第二偏振分束器17的A端口；

第二路泵浦光由第一偏振分束器9的C端口输出并注入到第二光纤放大器14，经第二光纤放大器14放大后通过第二光隔离器15入射到第五偏振控制器16，第五偏振控制器16调节第二路泵浦光的偏振状态，并与第二偏振分束器17的B端口相连；

待测信号20经第六偏振控制器19调节偏振态后输入光环形器18的a端口，并由光环形器18的b端口输出，光环形器18的b端口与第二偏振分束器17的C端口相连，从第二偏振分束器17的C端口输入的信号经第二偏振分束器17的A端口输出并进入光纤13，待测信号20在光纤13传输时被产生的布里渊动态光栅反射，反射信号从第二偏振分束器17的A端口进入，并经第二偏振分束器17的C端口出射，第二偏振分束器17的C端口出射的反射信号注入光环形器18的b端口，最终由光环形器18的c端口输出。

本发明中所使用的偏振调制器3是一种特殊的相位调制器，它有两个偏振主轴，且沿这两个偏振主轴方向的相位调制指数等幅反相。因此，沿偏振调制器3两个偏振主轴方向（设为x方向和y方向）输出的光电场可表示为：

其中，为输入光电场，为相位调制系数，为加载到偏振调制器射频端口的射频信号角频率。调制后的信号经过第一偏振控制器4进入到检偏器5中，检偏器5的偏振方向与偏振调制器3一个主轴的偏振方向成45°。第一偏振控制4的作用是在和之间引入一个相位差。当相位差时，检偏器5的输出信号为载波抑制双边带调制信号，信号的能量主要集中在正、负一阶边带，载波和其余高阶谐波分量均有效抑制。

所述第二偏振控制器6调节输入的载波抑制双边带调制信号的偏振态，使其以相对于可调差分群延迟器7的偏振主轴方向成45°角注入，通过调节可调差分群延迟器的两偏振主轴群延迟差，输出的载波抑制双边带调制信号的正、负一阶边带实现偏振态正交。如图2所示，输入信号被分为等幅两部分，分别沿可调差分群延迟器的两个偏振主轴传输，由于两个偏振主轴之间存在群延迟差，因而调制信号的正、负边带将相对于载波向相反的偏振态方向旋转，其旋转角度表达式为：

这里是光调制边带的阶数，是调制信号频率，是差分群延迟器两偏振主轴间的群延迟差。对于一阶边带，当时，载波抑制双边带调制信号的正、负一阶边带实现偏振态正交。

调节第三偏振控制器8使正交的正、负一阶边带分别从第一偏振分束器9的B端口和C端口输出，实现正、负一阶边带的分离。

调节第五偏振控制器16使第二路泵浦光完全通过第二偏振分束器17的B端口，并由第二偏振分束器17的A端口输出，调节第四偏振控制器12使第一路泵浦光与第二路泵浦光的偏振态方向一致，确保在光纤13中产生最强的布里渊动态光栅。

所述第一光纤放大器10和第二光纤放大器14分别用于调节第一路泵浦光和第二路泵浦光的功率，其目的是控制两路泵浦光在光纤13中通过受激布里渊散射效应产生的电子波传播方向，进而决定待测信号被布里渊动态光栅发射后的波长位置。

第六偏振控制器19用于调节待测信号20的偏振态，使待测信号20在光纤13中传输时与两路泵浦光的偏振态正交。

本发明的光纤13为普通单模光纤或者为保偏光纤；微波源2输出信号频率为所用光纤13的布里渊频移量的二分之一；所述激光源的输出波长能调谐，使得布里渊动态光栅可在不同波长处产生。

Claims (10)

1.一种布里渊动态光栅产生装置，其特征在于，包括依次连接的激光源、偏振调制器、第一偏振控制器、检偏器、第二偏振控制器、可调差分群延迟器、第三偏振控制器和第一偏振分束器，所述偏振调制器还连接有微波源，所述第一偏振分束器的B端口依次连接有第一光纤放大器、第一光隔离器、第四偏振控制器和光纤，所述第一偏振分束器的C端口依次连接有第二光纤放大器、第二光隔离器、第五偏振控制器，所述第五偏振控制器连接有第二偏振分束器，并且第五偏振控制器与第二偏振分束器的B端口连接，所述光纤与第二偏振分束器的A端口连接，所述第二偏振分束器的C端口依次连接有光环形器和第六偏振控制器，所述第六偏振控制器输入有待测信号。

2.根据权利要求1所述的布里渊动态光栅产生装置的布里渊动态光栅产生方法，其特征在于，激光源输出激光注入偏振调制器，偏振调制器的射频端口连接微波源的输出，经偏振调制器调制后的光信号由第一偏振控制器调节入射到检偏器的偏振态，检偏器的输出经过第二偏振控制器调节偏振态后注入到可调差分群延迟器的输入端，可调差分群延迟器的输出信号经第三偏振控制器调节偏振态后入射到第一偏振分束器的A端口，第一偏振分束器将A端口输入信号分为两路泵浦光，分别由第一偏振分束器的B端口和C端口输出；

第一路泵浦光由第一偏振分束器的B端口输出并注入第一光纤放大器，经第一光纤放大器放大后入射到第一光隔离器，第一光隔离器的出射光被第四偏振控制器调节偏振态后入射到光纤中，在光纤中传输后的第一泵浦光进入第二偏振分束器的A端口；

第二路泵浦光由第一偏振分束器的C端口输出并注入到第二光纤放大器，经第二光纤放大器放大后通过第二光隔离器入射到第五偏振控制器，第五偏振控制器调节第二路泵浦光的偏振状态，并与第二偏振分束器的B端口相连；

待测信号经第六偏振控制器调节偏振态后输入光环形器的a端口，并由光环形器的b端口输出，光环形器的b端口与第二偏振分束器的C端口相连，从第二偏振分束器C端口输入的信号经第二偏振分束器的A端口输出并进入光纤，待测信号在光纤传输时被产生的布里渊动态光栅反射，反射信号从第二偏振分束器的A端口进入，并经第二偏振分束器的C端口出射，第二偏振分束器的C端口出射的反射信号注入光环形器的b端口，最终由光环形器的c端口输出。

3.根据权利要求2所述的布里渊动态光栅产生方法，其特征在于，所述检偏器的偏振方向与偏正调制器的一个主轴的偏振方向成45°；通过调节第一偏振控制器使检偏器的输出为载波抑制双边带调制信号，载波抑制双边带调制信号的能量集中在正、负一阶边带，载波和其余高阶谐波分量均抑制。

4.根据权利要求3所述的布里渊动态光栅产生方法，其特征在于，所述第二偏振控制器调节输入的载波抑制双边带调制信号的偏振态，使其以相对于可调差分群延迟器的偏振主轴方向成45°角注入，通过调节可调差分群延迟器的两偏振主轴群延迟差，输出的载波抑制双边带调制信号的正、负一阶边带实现偏振态正交。

5.根据权利要求4所述的布里渊动态光栅产生方法，其特征在于，调节第三偏振控制器使正交的正、负一阶边带分别从第一偏振分束器的B端口和C端口输出，实现正、负一阶边带的分离。

6.根据权利要求5所述的布里渊动态光栅产生方法，其特征在于，调节第五偏振控制器使第二路泵浦光完全通过第二偏振分束器的B端口，并由第二偏振分束器的A端口输出，调节第四偏振控制器使第一路泵浦光与第二路泵浦光的偏振态方向一致，确保在光纤中产生最强的布里渊动态光栅。

7.根据权利要求6所述的布里渊动态光栅产生方法，其特征在于，所述第一光纤放大器和第二光纤放大器分别用于调节第一路泵浦光和第二路泵浦光的功率，控制两路泵浦光在光纤中通过受激布里渊散射效应产生的电子波传播方向，进而决定待测信号被布里渊动态光栅发射后的波长位置。

8.根据权利要求7所述的布里渊动态光栅产生方法，其特征在于，第六偏振控制器用于调节待测信号的偏振态，使待测信号在光纤中传输时与两路泵浦光的偏振态正交。

9.根据权利要求2-8任一所述的布里渊动态光栅产生方法，其特征在于，光纤为单模光纤或者为保偏光纤。

10.根据权利要求9所述的布里渊动态光栅产生方法，其特征在于，微波源输出信号频率为所用光纤的布里渊频移量的二分之一；所述激光源的输出波长能调谐。